Twaalf weetjes over waterstof

Wat is waterstof en hoe wordt het gemaakt? Dat, en meer leest u hieronder in twaalf weetjes over waterstof.

Wat is waterstof?
Waterstof is het eerste scheikundige element uit het periodiek systeem. Het heeft het symbool H afgeleid van Hydrogenium: van het Griekse hydor (water) en genes (scheppen/maken). Vrij vertaald betekent waterstof dus ‘watermaker’. Losse atomen waterstof (H) komen nauwelijks voor, doordat ze zich snel verbinden met andere atomen. Als twee waterstofelementen zich verbinden, ontstaat een twee-atomige molecule: diwaterstof ofwel waterstofgas. Als we het vandaag de dag (en hier) hebben over waterstof, bedoelen we daarmee waterstofgas: H2.

Waar zit waterstof?
Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Daar zijn negentig procent van de atomen waterstofatomen. Ook sterren bestaan voor het grootste deel uit waterstof. Op aarde zit een groot deel van de waterstof in water: H2O – twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Waterstof komt ook voor in veel organische verbindingen. En in fossiele brandstoffen, maar dan in combinatie met koolstof (C).

Wat zijn de eigenschappen van waterstof?
Als gas (H2) is waterstof kleurloos, reukloos, smaakloos, niet radioactief, niet giftig en heeft het een hoge verbrandingswaarde. Waterstof is een extreem licht gas, veertien keer lichter dan lucht.

Hoe maak je waterstof?
Omdat waterstof op aarde voorkomt in verbindingen, moet eerst iets gebeuren om deze te ‘ontbinden’ en zo waterstofgas te krijgen. De eerste methode is elektrolyse: een proces waarbij je water (H2O) onder stroom zet en zo water omzet in zuurstof (O) en waterstofgas (H2). Waterstof is ook te maken via thermochemische processen, bijvoorbeeld het omzetten van fossiele brandstoffen, waarbij koolwaterstoffen gesplitst worden in koolstof (C) en waterstof. Tot slot is waterstof te verkrijgen via biochemische omzetting van biomassa en bijvoorbeeld van algen.

Hoe wordt waterstof energie?
Waterstof is geen energiebron, wel een energiedrager. Om er een elektromotor (bijvoorbeeld in een auto) op te kunnen laten draaien, is een brandstofcel nodig die waterstof omzet in elektriciteit. Daarbij vindt omzetting van waterstof en zuurstof plaats in ionen: deeltjes die geladen zijn. Die reactie wekt elektriciteit op voor de aandrijving van een elektrische installatie of motor. Het restproduct is waterdamp. Een andere mogelijkheid is een op waterstof aangepaste verbrandingsmotor.

Waarvoor is waterstof te gebruiken?
Vandaag de dag is waterstof op grote schaal in gebruik als grondstof in de chemische industrie – voor bijvoorbeeld ammoniak en bepaalde kunststoffen – en in raffinaderijen. Waterstof is verder een (potentiële) brandstof voor alle vormen van transport: via weg, water, lucht en spoor. In het algemeen is het bij uitstek geschikt voor elektrische toepassingen die het niet redden met batterijen. In de industrie is het een interessante optie voor processen die hoge temperaturen vereisen. Huishoudens kunnen het in de toekomst, via netwerken op wijkniveau, mogelijk gaan gebruiken voor warmte.

Is waterstof een schone brandstof?
Als het gaat om het gebruik in een brandstofcel om elektriciteit te maken, is waterstof in alle gevallen volledig schoon. Daarbij is er geen emissie, behalve van schone waterdamp. Gaat het om hoe schoon de productie van waterstof is, dan hangt dat af van de herkomst van die waterstof. Vandaar het onderscheid tussen ‘groene’ waterstof (uit elektrolyse met duurzame elektriciteit van wind, zon of water) en ‘grijze’ waterstof (uit fossiele brandstof); bij de laatste komt CO2 vrij. Dan is er nog een ‘blauwe’ variant. Hierbij gaat de vrijgekomen CO2 permanent in opslag, in bijvoorbeeld lege gasvelden op zee, waardoor de zo verkregen waterstof klimaatneutraal is. Het restproduct bij verbranding is dus wel in alle gevallen schoon.

Hoe sla je waterstof op?
Het mooie van waterstof is dát je het kunt opslaan. In grote hoeveelheden en voor langere tijd. Bij wind- en zonnestroom is dat nog altijd lastig. Opslaan gebeurt in tanks, als samengeperst gas of – flink gekoeld en geïsoleerd – als vloeistof. Het wordt ook als gecomprimeerd gas ondergronds opgeslagen, bijvoorbeeld in zoutgrotten en in lege olie- en gasvelden.

Hoe is waterstof te transporteren?
Net zoals bij opslag vindt vervoer van waterstof plaats in samengeperste of vloeibare vorm, in tanks. In de industrie bestaan al leidingnetwerken voor waterstof. In de toekomst is waterstof via het bestaande aardgasnetwerk mogelijk ook te transporteren naar woningen en bedrijven. Hiervoor loopt al een aantal proeven.

Wat kost waterstof?
Er zijn veel factoren die de kosten en daarmee de prijs van waterstof bepalen. Denk aan de kosten voor productie, de prijs van (groene, grijze of blauwe) elektriciteit en van aardgas, investeringen in installaties, opslag en distributie. Ook het klimaatbeleid speelt een rol. Uiteindelijk zal waterstof moeten kunnen concurreren met andere energiebronnen. Daarvoor is grootschalige productie nodig. Naar verwachting zal dat nog zeker tot 2030 duren.
‘Aan de pomp’ kost een kilo waterstof nu ongeveer tien euro. De prijs per kilometer voor een personenauto is daarmee om en nabij de tien cent, nagenoeg gelijk aan de gemiddelde brandstofkosten van een auto op benzine of diesel. De verwachting is dat de prijs aan de pomp door schaalvergroting flink zal dalen.

Is waterstof gevaarlijk?
Waterstof is brandbaar, maar uitsluitend na het in de juiste verhouding mengen met zuurstof en als er dan ook nog eens een vlam bij komt. Bovendien is waterstof een vluchtig gas; het stijgt met twintig meter per seconde. Neem een auto met een waterstoftank. Mocht er een gat in die tank komen, dan zit de waterstof al hoog in de lucht voordat het met zuurstof is gemengd waardoor het kan branden. Mocht er ook een vlam bij komen, dan zal de waterstof door de hoge druk de vlam als het ware ‘uitblazen’. Dit alles neemt niet weg dat voor bewerking, opslag en transport van waterstof – net zoals bij benzine, diesel en aardgas – allerlei voorschriften bestaan om de veiligheid te garanderen.

Is er genoeg waterstof?
De vraag of waterstof ooit opraakt is in feite gelijk aan de vraag of het heelal ooit zal verdwijnen. Inclusief de sterren en de zon, die ook voor negentig procent uit waterstof bestaan. Dat zal nog miljarden jaren duren. Nog los van het feit dat we niet weten hoe groot het heelal is. Dat waterstof zal opraken is overigens niet alleen daarom onwaarschijnlijk. Waterstof is namelijk behalve uit water – dat op aarde in overvloed aanwezig is – te winnen uit allerlei andere stoffen. Bovendien is de verbranding van waterstof circulair: het element (H) wordt weer water (H2O). Waterstof is kortom onuitputtelijk.